微生物“能量代謝”微型課程（網(wǎng)絡(luò)課程）的構(gòu)思與探討

黎勇，齊澤民

摘要：微生物代謝是生物代謝多樣性的最大類群代表，微生物學(xué)中“代謝”一章的講解需要密切聯(lián)系生物化學(xué)及無機化學(xué)的相關(guān)知識，但是在有限的教學(xué)時間內(nèi)難以完成相關(guān)知識的全部梳理，以MOOCS教學(xué)理論為指導(dǎo)，充分利用網(wǎng)絡(luò)課程，進(jìn)行“微課”教學(xué)設(shè)計，可有效解決這一問題。文章討論了相關(guān)知識補充和“微課”設(shè)計的必要性，并提出“微課”的設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：課程設(shè)計;微型課;網(wǎng)絡(luò)課程

中圖分類號：G423.04???? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???? 文章編號：1674-9324（2014）41-0221-02

微生物學(xué)（普通微生物學(xué)）主要講解了學(xué)習(xí)微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、代謝營養(yǎng)、遺傳變異及生態(tài)學(xué)等相關(guān)基礎(chǔ)知識。微生物代謝是生物代謝多樣性的最大類群代表?！按x”一章在全書中具有核心地位，它既是前面章節(jié)鋪墊的目標(biāo)指向——結(jié)構(gòu)是認(rèn)識微生物及微生物生命活動的基礎(chǔ)，而代謝是結(jié)構(gòu)的注解，同時也是生態(tài)、遺傳以及免疫的基本依據(jù)[1]。

微生物擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出動植物代謝的復(fù)雜性，因而在學(xué)習(xí)掌握相關(guān)知識時，要求學(xué)生的普通化學(xué)、（氧化磷酸化）生物化學(xué)（電化學(xué)學(xué)、電子傳遞磷酸化）的基礎(chǔ)必須全面扎實。在多年的教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，除個別優(yōu)秀學(xué)生外，大多數(shù)學(xué)生對這一章節(jié)的學(xué)習(xí)感到困難，用學(xué)生的話來說，學(xué)習(xí)本章節(jié)，最大的感受是許多問題半懂不懂，十分尷尬。開始我們認(rèn)為學(xué)生不太用心，可等到了三、四年級學(xué)生還是會對一些基本問題搞不清，而且各專業(yè)、各年級均出現(xiàn)類似現(xiàn)象，這就促使我們進(jìn)行靜心思考與分析。

一、章節(jié)內(nèi)容特點分析

研究代謝問題的核心，一是其能量流動，二是酶促的生物大分子轉(zhuǎn)化，其中能量代謝是基礎(chǔ)。生物代謝的基礎(chǔ)是能量，因而微生物能量代謝多樣性也必然是十分豐富生動的。對此，教學(xué)大綱安排了4學(xué)時?；局R：（1）舊知識復(fù)習(xí)：電子傳遞與氧化磷酸化，糖酵解，戊糖磷酸途徑與檸檬酸循環(huán);發(fā)酵。（2）知識擴展與提高：細(xì)菌電子傳遞鏈的多樣性，無氧呼吸，發(fā)酵的原動力、多樣性及應(yīng)用，ED途徑等;固氮動力學(xué)，化能自養(yǎng)，細(xì)菌光合作用。信息總結(jié)與提高：多樣性本質(zhì)所擁有的基因多樣性，依靠多樣的基因所編碼的豐富酶類;通過呼吸的方式將各類有機與無機化合物逐步脫氫、傳遞，最終在將其降解為簡單分子物質(zhì)的同時，將生成的質(zhì)子動勢（PMF）通過ATP合酶轉(zhuǎn)化為以ATP為主的能量，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為化學(xué)能貯藏起來;作為對微生物廣泛適應(yīng)能力的注解，微生物還通過發(fā)酵將底物水平磷酸化獲得能量的策略發(fā)揮得淋漓盡致。由此，微生物獲得了地球上生命最為廣泛的分布，成為極端環(huán)境中生命的代表。這些能力使它們成為生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)的核心，并為人類開發(fā)利用代謝物產(chǎn)品以及環(huán)境的保護(hù)與修復(fù)提供了幾乎是無限的可能，使得微生物學(xué)成為21世紀(jì)最熱門的生物學(xué)學(xué)科之一。

二、微生物代謝課程講解所面臨的困難分析

微生物代謝是生動的，應(yīng)該受到學(xué)生的歡迎。但是正由于微生物擁有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出動植物代謝的復(fù)雜性，因而學(xué)習(xí)之前，相關(guān)基礎(chǔ)知識必須要掌握地全面和清晰。我們分析，學(xué)生在本章節(jié)學(xué)習(xí)中遇到的困難是與我們的課程設(shè)計及國內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)課程教材特色所決定的。首先是微生物代謝的復(fù)雜性，微生物能量代謝不僅有無氧呼吸及發(fā)酵，更有化能自養(yǎng)，代謝的形式也十分豐富，如固氮、礦產(chǎn)的形成等均與代謝密切相關(guān)。所以無論電子傳遞鏈的復(fù)雜性，還是對質(zhì)子動勢的利用，普通生物化學(xué)中討論的更為豐富，這一特點使得相關(guān)討論具有復(fù)雜性，因而成為教學(xué)難點。這里，我們比較一下國內(nèi)外微生物學(xué)教材對本節(jié)內(nèi)容的設(shè)計就會發(fā)現(xiàn)，國外教材往往對相關(guān)知識加以鋪墊。如《微生物學(xué)》（5版，Lansing M.Prescott等著），設(shè)計有單獨的一章Chapter 8 Metabolism：Energy，Enzymes，and Regulation（第8章 代謝：能量、酶和調(diào)節(jié)作用）[2]，在《BROCK微生物生物學(xué)》（11版 M.T.馬迪根著）的第5章中分別嵌入有Ⅱ能學(xué)與酶，Ⅲ氧化—還原和高能化合物，以及Ⅳ主要代謝中嵌入有電子傳遞與質(zhì)子動勢等[3]內(nèi)容。這些相關(guān)的知識鋪墊，往往于細(xì)節(jié)處，展現(xiàn)出作者的才華與個性，讀起來津津有味，各類知識水平層次的人，均能感覺有收獲。國內(nèi)中文版的教材則一般精簡，教材本身并不考慮以上知識板塊的補充。目前國內(nèi)考研一般要求的三個版本的微生物學(xué)教材主要有周德慶先生的《微生物學(xué)教程》、武漢大學(xué)沈萍先生編著的《微生物學(xué)》和黃秀梨主編的《微生物學(xué)》，這些教材中均無相關(guān)知識補充?？梢钥闯?，以國內(nèi)出版的現(xiàn)有微生物學(xué)教材對于知識能力不足的學(xué)生，缺乏提取相應(yīng)知識的模塊。似乎相關(guān)知識，早應(yīng)該在生物化學(xué)以及普通化學(xué)中學(xué)習(xí)完成了。實際以我們本科生所使用的生物化學(xué)教材來講，同樣是刪繁就簡的風(fēng)格明顯，并不注重相關(guān)素材的鋪墊與提供，而且由于受到教學(xué)時數(shù)的限制，這一板塊的知識欠缺比較多，學(xué)生學(xué)起來以知其然而不知其所以然者居多，這必然極大地限制了學(xué)生創(chuàng)新能力的培育。另一方面，微生物學(xué)作為生物專業(yè)的專業(yè)課程，一般在各屆的高年級（我校安排于大三下學(xué)期）。其實，大三下學(xué)期距離生物化學(xué)和無機化學(xué)課程的學(xué)習(xí)已經(jīng)相隔有2年左右的時間，許多同學(xué)可能已經(jīng)對相關(guān)知識細(xì)節(jié)比較模糊了。這一具有“中國特色”的現(xiàn)象是跟我們國內(nèi)教材及教學(xué)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)的。當(dāng)我們認(rèn)識到這一現(xiàn)象的客觀性及形成原因后，我們便立即利用網(wǎng)格課程這一平臺，并結(jié)合MOOCS教學(xué)原理進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計，對本章教學(xué)進(jìn)行顛倒課堂的設(shè)計，取得了較好的效果。

三、微生物學(xué)代謝——能量代謝（微課設(shè)計）

建設(shè)網(wǎng)絡(luò)課程中“代謝”章節(jié)的“微型課堂設(shè)計”，要求學(xué)生預(yù)習(xí)相關(guān)內(nèi)容，回答課程要求的問題，并于課堂中開展討論式教學(xué)。首先，我們在相關(guān)章節(jié)的學(xué)習(xí)欄上說明本章以網(wǎng)絡(luò)微課加課堂討論的形式開展教學(xué)。本“課”分為三小節(jié)，請大家自行安排每小節(jié)，用7～10分鐘時間進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)完成后，應(yīng)該能夠及時回答所提出的問題，不明白的問題書面提出，由科代表總結(jié)后提前一天提交給教師。網(wǎng)絡(luò)微課（3節(jié)）基本設(shè)計如下。endprint

1.酶。（1）知識學(xué)習(xí)。①酶及酶促反應(yīng)的回顧。②熱力學(xué)與“氧還電勢低的物質(zhì)”蘊含化學(xué)能量（鍵能）。（2）概念檢查。①催化劑的作用是什么？②哪種類型的生物大分子是酶？③底物結(jié)合于酶的哪個部位？④什么是活化能？⑤如何理解生命是“負(fù)熵”？

2.電子傳遞是生物能量捕獲的主要途徑（7分鐘）。（1）知識學(xué)習(xí)。①質(zhì)子動勢與電子傳遞。②原電池與電極電勢。③電子塔。（2）概念檢查。①能量的長期儲存與多聚物的形成有關(guān)，可以通過消耗這些多聚物產(chǎn)生ATP。②每摩爾ATP在轉(zhuǎn)化為ADP+Pi的時候釋放的能量為多少？每摩爾AMP轉(zhuǎn)化為腺苷和磷酸時釋放的能量是多少？③能否將水泥、白菜、西紅柿等日常用品列入電子塔？動植物電子傳遞鏈包含有哪兩條鏈？你認(rèn)為生物細(xì)胞中有沒有第三條鏈？

3.利用熱力學(xué)知識計算能量變化。（1）知識學(xué)習(xí)。①自由能。②自由能變的熱力學(xué)計算與電化學(xué)計算。（2）概念檢查。①什么是自由能？熱力學(xué)知識在解釋生命現(xiàn)象時有什么優(yōu)勢與不足？②一個分解反應(yīng)是放能還是吸能？（要求用幻燈所提供表格的數(shù)據(jù)計算自由能變）。③下面的反應(yīng)中電子供體與受體分別是什么？H2+1/2O2→H2O。④氧化還原對2H+/H2的電極電勢說明質(zhì)子是好的電子受體嗎？為什么？⑤為什么NO3-作為電子受體比延胡索酸要好？

這一課堂設(shè)計主要特點為顛倒式教學(xué)?；究孔詫W(xué)與復(fù)習(xí)完成，并在大家的討論中得到佐證及明確，使知識得以系統(tǒng)化。第2節(jié)課，我們僅重點比較討論了細(xì)菌呼吸鏈及發(fā)酵兩個題目，其余部分仍采用課堂討論的方式。

作為對這一部分的知識檢測，我們選擇了一個例子讓學(xué)生分析解答：艾因藻亞溫泉是利比亞埃爾歐蓋村附近的溫泉，面積如游泳池大小，水微溫（30℃）。硫酸鈣于其中呈飽和狀態(tài)，還含有約2.5%的氯化鈉。在利比亞的陽光烘烤下，此湖每年可產(chǎn)生約100噸的粗硫磺，呈黃灰色細(xì)泥狀。要求學(xué)生根據(jù)本章介紹的知識來回答硫磺形成的過程。經(jīng)過提示，約50%的學(xué)生給出了基本正確的答案，并促進(jìn)了大家學(xué)習(xí)的興趣。通過這一形式，在不增加理論課學(xué)時的情況下，取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生反映，相關(guān)的知識得到了融會貫通。同樣是用4個學(xué)時，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)平臺與顛倒式教學(xué)方式，學(xué)習(xí)效果就完全不同了。

四、討論與建議

1.重視教材建設(shè)。微生物學(xué)作為專業(yè)課程中高年級的課程綜合性很強。微生物不但具有高等生物所擁有的所有代謝類型，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了它們。在學(xué)生學(xué)習(xí)本課程時，通過學(xué)習(xí)化學(xué)、生物化學(xué)、動植物生理學(xué)等相關(guān)內(nèi)容已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，在學(xué)習(xí)中學(xué)生必然會與以前的知識加以比較學(xué)習(xí)，并自然總結(jié)出生命多樣性及一致性的思想，從而使其生物學(xué)知識得到升華與提高。因為學(xué)生在這一學(xué)習(xí)階段的特點是知識的綜合與升華，對微生物學(xué)教材在編寫時，應(yīng)該考慮其中知識與其他課程的對接，便于學(xué)生選擇與使用。因此，對于本科教學(xué)的微生物學(xué)的教材，不妨編點“厚書”。

2.充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺優(yōu)勢，開展新型的教學(xué)方式。課程的教學(xué)固然應(yīng)該注重知識的聯(lián)系與貫通，但要做到這一點，還必需考慮到學(xué)生基礎(chǔ)與以往學(xué)習(xí)的情況差異，這個時候MOOCS理論就成為我們的指引[4]。實踐證明，在MOOCS理論基因的指導(dǎo)下，充分利用網(wǎng)絡(luò)平臺與資源，開展新型教學(xué)是提高微生物學(xué)教學(xué)效果的最佳選擇。

參考文獻(xiàn)：

[1]周德慶.微生物學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]Lansing M.Prescott，John P.Harley Donald A.klein.微生物學(xué)[M].第5版.沈萍，彭珍榮，主譯.北京：高等教育出版社.

[3]M.T.馬迪根，J.M.馬丁克，J.帕克.微生物生物學(xué)[M].第11版.北京：科學(xué)出版社，2009.

[4]王迎，劉驚鐸，韓艷輝.MOOCs在中國發(fā)展的理論思考與實踐探索[J].中國電化教育，2014，（1）：52-60.

基金項目：內(nèi)江師范學(xué)院教改項目《地方高校生命科學(xué)與技術(shù)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的探索與實踐》（JG201108-177）

作者簡介：黎勇（1968-），男（漢族），四川夾江人，內(nèi)江師范學(xué)院副教授，從事微生物學(xué)及應(yīng)用技術(shù)研究。

通訊作者：齊澤民（1970-），男，重慶酉陽人，博士后，教授，中共黨員，研究方向：植物生態(tài)學(xué)。endprint